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矿用喷涂堵漏风自修复材料性能研究及工程应用

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煤炭科学技术 2024年第8期52卷 83-95页

作者：胡相明姜永茂吴明跃张茜杨振宇山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590

喷涂堵漏风是防止煤自燃的有效手段之一。针对传统水泥基喷涂堵漏风材料脆性大、易开裂、堵漏风效果差的弊端,提出以微生物及结晶矿物为自愈合剂,研制出生物胶囊和矿物胶囊以及一种生物–矿物–纤维协同自修复材料。研究了不同养护湿度... 详细信息

喷涂堵漏风是防止煤自燃的有效手段之一。针对传统水泥基喷涂堵漏风材料脆性大、易开裂、堵漏风效果差的弊端,提出以微生物及结晶矿物为自愈合剂,研制出生物胶囊和矿物胶囊以及一种生物–矿物–纤维协同自修复材料。研究了不同养护湿度和养护时间对材料裂缝自修复能力的影响。结果表明:当养护湿度为100%相对湿度、养护时间为35 d时,研制的生物胶囊和矿物胶囊可以将裂缝完全修复,裂缝最大修复宽度为1260μm。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)探究了自修复材料裂缝区域修复产物的晶型及元素组成,发现裂缝处的修复产物为球碳镁石、花瓣状的水菱镁矿以及大量由细菌矿化产生的球形方解石,这些修复产物在一定程度上起到了密闭裂缝的作用;EDS能谱分析证实了修复产物为MgCO_(3)和CaCO_(3)。当养护湿度为100%时,材料具有最高的堵漏风率(97.15%),比同养护条件的对照组试样高出73.62%。最后将自修复材料用于沿空煤柱喷涂堵漏风,结果显示该材料在6个月内未发现明显裂隙,与传统水泥砂浆相比,该材料具有更长的使用寿命和更好的预防效果。

关键词：喷涂堵漏风材料煤自燃裂缝修复愈合剂微生物结晶矿物

采动覆岩裂隙演化的光纤监测耦合性及分带表征

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1345-1357页

作者：刘奇牛家宝李青海赵金海訾建潇山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东省矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培有基地山东青岛266590 安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室安徽合肥230601 肥城矿业集团梁宝寺能源有限责任公司山东济宁272400

分布式光纤感测作为科学认识采动覆岩动态演变规律的重要工具,其监测数据的准确性主要取决于光纤-岩体的耦合关系。选择神东某矿作为研究对象,将分布式光纤感测技术应用于相似模拟实验,结合光纤-岩体耦合关系,探究采动覆岩垂直分带时空... 详细信息

分布式光纤感测作为科学认识采动覆岩动态演变规律的重要工具,其监测数据的准确性主要取决于光纤-岩体的耦合关系。选择神东某矿作为研究对象,将分布式光纤感测技术应用于相似模拟实验,结合光纤-岩体耦合关系,探究采动覆岩垂直分带时空演化特征与光纤应变数据峰值点位置的内在联系。针对以往研究中光纤应变数据容易受光纤-岩体耦合关系影响,从而导致测试结果出现误差的问题,提出用岩体裂隙率表征光纤-岩体耦合关系的新方法。通过光纤-岩体耦合关系试验,得到光纤-岩体应变传递系数与岩体裂隙率之间呈线性函数关系,并采用二值化方法处理模型图像获取各区域裂隙变化量,分区域地计算出采动覆岩直埋光纤的应变传递系数,为进一步探究光纤应变数据峰值与采动覆岩垂直分带特征之间的关系提供了支撑。研究表明:光纤应变峰值点位置能用于关键层下方离层以及覆岩分带表征,利用构建的关键层下方离层及覆岩分带表征模型,结合峰值检测算法,得到关键层的位置分别为44、68、107 cm,以及垮落带、导水裂隙带发育高度分别为35、68 cm,算法识别结果与理论计算数值吻合,符合神东某矿的实际情况。

关键词：采动覆岩导水裂隙关键层光纤传感耦合性

基于PLC煤矿井下瓦斯抽采钻孔智能防喷装置设计及应用

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矿山机械 2024年第7期52卷 65-68页

作者：郭昆明煤矿灾害防控全国重点实验室重庆400039 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039

针对瓦斯抽采钻孔喷涌引起的瓦斯超限报警问题,设计了一种新型的智能防喷装置。该装置通过采用传感器组件和PLC自动控制系统实现气水分离器及防喷箱联动。当瓦斯体积分数或压力超过某一预警值,自动控制系统接收、输出指令,控制各并联组... 详细信息

针对瓦斯抽采钻孔喷涌引起的瓦斯超限报警问题,设计了一种新型的智能防喷装置。该装置通过采用传感器组件和PLC自动控制系统实现气水分离器及防喷箱联动。当瓦斯体积分数或压力超过某一预警值,自动控制系统接收、输出指令,控制各并联组件动作,自动密封钻孔;当传感器组件信号低于某一报警值时,收缩膨胀橡胶腔体,钻机恢复供电,正常作业。现场调试及工业性试验表明,该装置密封效果良好,各动作协调准确、敏捷,整个联动完成时间不超过3 s,提高了瓦斯超限处置的时效性,对煤矿的安全生产具有重要的现实意义。

关键词：瓦斯超限防喷装置智能控制

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含添加剂双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

中国矿业 2024年第10期33卷 202-208页

作者：陈立伟边乐王东杰严越涵梁忠秋河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心河南焦作454000 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈阳110116

针对主要威胁我国煤矿安全生产的瓦斯爆炸和燃烧事故等问题,尤其是在单一煤层综放工作面低位高抽巷内易形成瓦斯积聚,在开采过程中,又会出现顶板矸石垮落、矸石和支护金属材料撞击,很容易导致瓦斯爆炸。本文探究含添加剂双流体细水雾在... 详细信息

针对主要威胁我国煤矿安全生产的瓦斯爆炸和燃烧事故等问题,尤其是在单一煤层综放工作面低位高抽巷内易形成瓦斯积聚,在开采过程中,又会出现顶板矸石垮落、矸石和支护金属材料撞击,很容易导致瓦斯爆炸。本文探究含添加剂双流体细水雾在瓦斯爆炸抑制方面的应用效果。基于搭建的含添加剂双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验平台,对比分析了不同惰性气体与细水雾相互作用对瓦斯爆炸的抑制规律和效果,含添加剂的瓦斯抑制机理,并研究了不同添加剂浓度、不同添加剂种类对瓦斯爆炸抑制效果的影响。探究发现细水雾分别与CO_(2)、N_(2)、He和Ar四种惰性气体作用,均对瓦斯爆炸有着协同增益的效果。对比分析了有无添加剂的细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果,添加剂的加入明显能够提升抑制效果;添加剂的浓度及添加剂的种类对抑制瓦斯爆炸有一定影响,很大程度地减少了瓦斯爆炸的危害。本文研究为防治煤矿瓦斯爆炸提供了一项具有重要意义的主动抑爆新技术。

关键词：双流体细水雾高抽巷瓦斯爆炸 N_(2)

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蠕变损伤煤岩分段增幅循环劣化机制试验研究

煤炭科学技术 2024年

作者：李杨杨张士川沈宝堂许亚栋党金铭侯嘉琦山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东科技大学能源与矿业工程学院

受开挖影响深部煤岩在高应力长时作用下产生明显的蠕变损伤，在工作面采动作用下已蠕变损伤的煤体突变失稳诱发冲击地压灾害，给深部煤柱安全回采造成了严重威胁。基于长时蠕变-循环载荷-卸围压试验，研究了初始蠕变损伤与循环载荷叠加... 详细信息

受开挖影响深部煤岩在高应力长时作用下产生明显的蠕变损伤，在工作面采动作用下已蠕变损伤的煤体突变失稳诱发冲击地压灾害，给深部煤柱安全回采造成了严重威胁。基于长时蠕变-循环载荷-卸围压试验，研究了初始蠕变损伤与循环载荷叠加作用下煤岩劣化特性的演化规律，分析了循环载荷下不同应力区间煤岩的强度特征及累积损伤特性，探究了循环载荷次数对煤岩蠕变损伤效应的组合作用机制，揭示了蠕变损伤效应下煤岩变形破坏过程中能量的转化机理。试验结果表明：煤岩在循环载荷低应力区间内受蠕变预损伤效应影响较小，随应力水平区间的上升，煤岩的长时损伤越大且非线性劣化越明显，失稳后的破裂程度越剧烈；当蠕变应力处于弹性阶段内，蠕变可使经历周期载荷煤样在强化到劣化之间存在时长不超过16h，在高应力区间内劣化作用才得到显著呈现；循环加卸载后期，加卸载变形模量随循环次数剧烈波动，不可逆形变稳定增加，预示煤样处于即将失稳破坏的“临界点”。基于损伤力学理论创建了蠕变与循环载荷叠加作用损伤演化模型，结合试验结果发现长时蠕变后的煤样因内部劣化程度较高，储存的能量较少，应力释放有所缓和，突变失稳现象不明显；煤样储能能力的大小在蠕变损伤时长方面同样存在“临界点”，较长的蠕变损伤时长可使试样存储的可释放弹性能减小，在一定程度上延缓了弹性能的释放，减小了发生动力灾害破坏的范围。研究成果将对减少遗煤长时蠕变诱冲灾害，提高采空区遗煤回采效率，推动矿区生态文明建设具有重要的工程意义。

关键词：蠕变循环载荷卸围压损伤煤岩非线性劣化

迎采掘进巷道水力切顶关键部位对顶板断裂行为的影响

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煤炭学报 2024年

作者：林榆昆刘江伟刘耀友山东科技大学能源与矿业工程学院山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地

动压巷道往往存在着巷道变形严重、围岩控制困难等问题，动压巷道大变形问题通常与围岩自身特性和动静载叠加形成的应力环境有关。山西怀仁峙峰山煤矿5号煤层回采巷道掘进采用迎采动的掘进方式，即存在掘进工作面和回采工作面交锋的问... 详细信息

动压巷道往往存在着巷道变形严重、围岩控制困难等问题，动压巷道大变形问题通常与围岩自身特性和动静载叠加形成的应力环境有关。山西怀仁峙峰山煤矿5号煤层回采巷道掘进采用迎采动的掘进方式，即存在掘进工作面和回采工作面交锋的问题，迎采掘进会造成相邻工作面巷道的围岩结构失稳而引发的大变形问题，使巷道维护困难，严重制约着煤炭资源的安全高效生产。针对此，提出了在应力传递路径上实施水力压裂的方法，破坏指定区域的岩体结构，从而降低巷道围岩范围内的应力，控制巷道的围岩稳定性；构建了坚硬岩层断裂部位的岩梁力学模型，通过峙峰山煤矿岩体的物理力学参数计算了水力切顶位置与顶板弯曲弹性能、顶板下沉速率的关系，分析了坚硬顶板断裂部位对断裂行为的影响。结合现场工程验证等方式，揭示了迎采掘进巷道大变形的机理，确定合理的压裂位置。研究结果表明：在坚硬岩层关键部位进行水力压裂切顶卸压可以破坏应力传递路径，降低上覆岩层的应力叠加效应，控制顶板能量释放的速率，压裂后巷道的累计围岩变形量普遍降低了40%-60%，表明在关键部位水力切顶实现了迎采掘进巷道围岩的有效控制，有效解决了临近巷道的围岩失稳大变形的问题，理论结果可以指导现场施工，证实了模型的可靠性。

关键词：动压巷道水力压裂迎采掘进能量释放围岩失稳

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矸石粉基胶结充填材料析水特性试验研究

煤矿安全 2024年第4期55卷 164-168页

作者：周仙丽王家乐李杰国能榆林能源有限责任公司陕西榆林719400 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 中国合格评定国家认可中心北京100062

为了探明矸石粉基胶结充填材料的析水特性,运用正交试验设计了以矸石粉、高水材料、水泥、粉煤灰为组合的胶结充填材料,采用极差分析、方差分析等方法,研究了矸石粉基质量浓度(A)、水泥含量(B)、粉煤灰含量(C)、高水材料含量(D)4个因素... 详细信息

为了探明矸石粉基胶结充填材料的析水特性,运用正交试验设计了以矸石粉、高水材料、水泥、粉煤灰为组合的胶结充填材料,采用极差分析、方差分析等方法,研究了矸石粉基质量浓度(A)、水泥含量(B)、粉煤灰含量(C)、高水材料含量(D)4个因素对胶结材料的析水率的影响情况;得到各因素对矸石粉基胶结充填材料析水特性影响的拟合公式。结果表明:基于极差分析的矸石粉基胶结充填材料的析水率影响程度为D>A>B>C,基于方差分析的材料析水率影响程度为D>B>A>C,析水率随着矸石粉浆质量分数的升高呈现下降趋势,随着水泥含量的增加则呈现先减少后增大再减少的趋势,随着粉煤灰质量增加呈现先减少后平稳的趋势,随着高水的增加呈现下降的趋势;高水含量对材料析水率的影响程度最大,矸石粉基质量分数与水泥质量对材料析水率影响相当,粉煤灰含量对材料析水率影响较小。

关键词：矸石粉基胶结充填材料析水特性显著性分析正交试验

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综掘面外喷雾三相耦合降尘规律分析

煤炭科学技术 2024年

作者：于海明王培贝叶宇希程卫民山东科技大学安全与环境工程学院山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地

由于矿井掘进技术逐渐实现机械化、智能化，导致综掘面的粉尘污染问题愈发严重。为了研究综掘面外喷雾系统在不同排布方式下的降尘规律，基于气相（风流）-固相（粉尘）-液相（雾滴）三相耦合方法，对不同喷嘴排布方案下雾滴与粉尘扩散... 详细信息

由于矿井掘进技术逐渐实现机械化、智能化，导致综掘面的粉尘污染问题愈发严重。为了研究综掘面外喷雾系统在不同排布方式下的降尘规律，基于气相（风流）-固相（粉尘）-液相（雾滴）三相耦合方法，对不同喷嘴排布方案下雾滴与粉尘扩散规律进行模拟分析。模拟结果表明：在不改变喷雾压力的前提下，随着喷嘴数量的增加，截割头周围的风流受雾滴的影响加剧，但巷道整体风流场结构受雾滴的影响较小。巷道压风侧雾滴在巷道顶板区域聚集，抽风侧因轴向和径向风流的碰撞作用而使雾滴集中在迎头区域与抽风口间，雾滴粒径在风幕区域明显减小；巷道迎头面粉尘浓度分布受喷嘴布置方案影响较大，随着喷雾数量增加，巷道迎头面顶部和压风侧区域的粉尘聚集现象逐渐减弱，雾滴对粉尘控制作用逐渐增强，巷道呼吸道高度粉尘浓度在6-8个喷嘴时粉尘污染情况得到有效控制；当喷嘴布置方案在6个喷嘴以下时，雾滴对迎头面覆盖效果不足，粉尘控制效果较差，呼吸道高度雾滴浓度较小，当喷嘴布置方案达到6个喷嘴时，巷道呼吸道高度粉尘污染控制效果不足。当喷嘴排布方案为7个喷嘴时，巷道整体雾滴覆盖效果最佳，巷道迎头面最高粉尘浓度为38.5mg-3，沿程粉尘浓度均低于20.0mg·m-3，呼吸道高度粉尘浓度低于15.0mg·m-3，雾滴对巷道整体覆盖效果最佳，大幅的降低了巷道的粉尘污染，为综掘面外喷雾系统的优化设计提供理论依据。

关键词：综掘工作面外喷雾粉尘污染喷雾降尘喷嘴排布

矿用PET基梯度式微纳米纤维复合膜制备及高效滤尘-强化透湿性能研究

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煤炭学报 2024年

作者：周刚徐卓姜力玮陈冠双马云龙柳茹林王勇梅山东科技大学安全与环境工程学院山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地

井下湿热高尘环境中粉尘颗粒物对作业人员的身心健康造成了巨大危害，其中细颗粒粉尘易吸入后到达呼吸道深部肺泡区，是诱发煤矿行业职业性尘肺病的主要原因。为此，本研究基于静电纺丝技术调控微纳米纤维材料结构，层合纺丝制备一种兼... 详细信息

井下湿热高尘环境中粉尘颗粒物对作业人员的身心健康造成了巨大危害，其中细颗粒粉尘易吸入后到达呼吸道深部肺泡区，是诱发煤矿行业职业性尘肺病的主要原因。为此，本研究基于静电纺丝技术调控微纳米纤维材料结构，层合纺丝制备一种兼具高效捕尘与强化透湿性能的复合材料，利用超亲水纤维增强高湿条件下对水分子的吸附，利用疏水纤维避免材料中产生毛细水，引入润湿性介于疏水和超亲水之间的多级导流层，构筑多层梯度润湿型聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基复合纤维滤料，解决现有滤料制备难度大，佩戴亲肤性较差及热舒适性不足的问题。实验以PET为基材，引入羟基化石墨烯增强扩散和静电吸附效应以捕获粉尘，选择聚乙烯吡咯烷酮调节亲水梯度，提高复合纤维滤料的润湿性。微观表征和性能测试结果表明：所制备纤维膜具有微纳米尺度的直径、良好的结构规整性和相对光滑的表面形貌，实现了纤维直径和形态的较好调控，各纳米纤维膜的表面元素和官能团分布与其特性相符。对比实验表明，多层复合膜具有较好的滤尘防护性能，品质因子高达0.439 Pa-1，孔径分布于2.15～4.61 μm之间，同时接触角测试表明多层复合膜具有从超亲水（0°）到疏水（135.2°）渐变的润湿梯度，水蒸气透过量为5434.503 g/m2·24h，比单独的亲水膜和疏水膜分别高出1.37倍和2.04倍。此外，通过太赫兹扫描成像分析的方法，开展纤维材料内部液态水的定量分析，阐明了纳米纤维膜对水分子的传输机制。因此，构筑的多层梯度润湿纤维滤料在工矿湿热高尘环境呼吸防护领域具有广阔的应用前景，同时为废弃物的资源化利用提供一种有效的途径。

关键词：聚对苯二甲酸乙二醇酯静电纺丝梯度式复合膜滤尘透湿太赫兹成像